Sensing, coherent coupling and optimal control with nitrogen-vacancy colour centres in diamond

Abstract

Das negativ geladene Stickstoff-Fehlstellen-Defektzentrum in Diamant (NV-Zentrum) zeigt großes Potential in der Quanteninformationstechnik und für quanten-limitierte Messverfahren. Die vorliegende Dissertation demonstriert robuste kohärente Kontrolltechniken für NV-Zentren und Verfahren zu deren Erzeugung und Charakterisierung. Außerdem umfasst sie Beiträge zur hochsensiblen Messung elektrischer Felder mit einzelnen NV-Zentren und zur kohärenten Kopplung dieser Defekte an supraleitende Mikrowellenresonatoren, mit dem Ziel, einen rein Festkörper-basierten Quantenspeicher zu konstruieren.<br />Zur Isolation und Manipulation von einzelnen NV-Zentren wurde ein konfokales Fluoreszenz-Mikroskop gebaut, kombiniert mit einer Anlage zur Erzeugung von gepulsten und quadraturamplitudenmodulierten Mikrowellen für optisch detektierte Spinresonanzmessungen. Durch Photonen-Detektion mit hoher Zeitauflösung können Einzelphotonenquellen nachgewiesen werden. Dieser Versuchsaufbau wurde eingesetzt, um einen neuartigen Zugang zur robusten, optimalen Kontrolle von NV-Zentren zu demonstrieren. Die damit erreichten hochgenauen Quantenoperationen erlauben es, die Sensitivität von NV-basierten Messtechniken zu erhöhen und sind eine wichtige Voraussetzung zum Speichern von einzelnen Quanten in kollektiven Spinzuständen von NV-Ensembles.<br />Neutronen- und Elektronenbestrahlung wurde eingesetzt um NV-Zentren in möglichst hoher Dichte zu erzeugen und ihre Eigenschaften für Quantenmesstechnik und Quanteninformationsverarbeitung zu optimieren.<br />Zur Charakterisierung der Proben wurden optische Spektroskopie (UV, sichtbares Spektrum, IR, Fluoreszenz), Fluoreszenzmikroskopie und optisch detektierte Magnetresonanz eingesetzt. Mit den so erzeugten Proben gelang es, kohärente Kopplung eines NV-Ensembles an einen supraleitenden Mikrowellenresonator zu demonstrieren. Damit wurde ein hybrides Quantensystem realisiert, das ausschließlich aus Festkörpern besteht und somit in Zukunft als praktikabler Quantenspeicher eingesetzt werden kann.<br />Schließlich umfasst diese Dissertation Mitarbeit an der ersten Demonstration der Messung elektrischer Felder mit einem einzelnen NV-Zentrum. Dieses Verfahren wird besprochen und auf sein Potential zum Einsatz in lebenden Zellen untersucht, wo fluoreszierende Nanodiamanten zur lokalen Messung von elektrischen und magnetischen Feldern eingesetzt werden könnten.<br />

The negatively charged nitrogen-vacancy (NV) defect centre in diamond shows great promise as a quantum bit in scalable quantum information architectures as well as for quantum-limited sensing. This thesis explores robust quantum control techniques for NV centres, and approaches to creating and characterizing dense NV ensembles. It presents contributions to demonstrations of single-NV based electric sensing, and of coherent coupling of NVs to a superconducting microwave resonator.<br />An experimental setup for confocal microscopy and optically detected spin-resonance experiments was constructed, capable of imaging and manipulating single NV centres. Time-resolved photon counting was used to identify single emitters via photon anti-bunching. Pulsed as well as quadrature-amplitude modulated microwave signals were used to characterize and coherently manipulate the spin properties of NVs.<br />Smooth, robust optimal control pulses were implemented using this setup, and were shown to perform quantum operations on ensembles of NVs at greatly improved fidelity. This result will enable the improvement of the sensitivity of NV-based magnetometers and is a step towards the storage and retrieval of single excitations in the collective spin state of NV ensembles.<br />Neutron and electron irradiation were used to create high densities of NVs in diamond samples in an optimal way. The samples were analysed using a combination of UV/Vis and infrared spectroscopy, fluorescence microscopy and optically detected spin resonance techniques. Using the resulting samples, strong coupling of NVs to a superconducting microwave resonator was demonstrated, implementing a major milestone towards a quantum memory in a hybrid, all solid-state architecture.<br />Finally, contributions as a co-author to the first demonstration of single-NV-based electric sensing are presented and discussed in the context of intracellular sensing using fluorescent nanodiamonds.